一种脱硫阻垢剂在湿法脱硫系统的应用研究

杜佳，张健

(1.华电电力科学研究院东北分院，辽宁沈阳110179;2.阜新发电有限公司，辽宁阜新123000)

一种脱硫阻垢剂在湿法脱硫系统的应用研究

杜佳1，张健2

(1.华电电力科学研究院东北分院，辽宁沈阳110179;2.阜新发电有限公司，辽宁阜新123000)

将一种阻垢剂加入350MW机组的石灰石－石膏湿法脱硫系统中，研究系统中不同部位结垢情况的变化。结果表明，该阻垢剂对于各个部位的石膏垢都有很好的阻垢效果，阻垢率可以达到87%以上。此外，对于整个系统的运行起到了优化的作用，包括可以提高脱硫效率、提高石灰石利用率、改善脱硫石膏品质等。

脱硫阻垢剂;湿法脱硫系统;应用研究

石灰石－石膏湿法脱硫系统以技术成熟，运行可靠，对煤种变化的适应性强等特点在火电厂脱硫技术中获得广泛的应用［1］。但是，在湿法烟气脱硫系统中，设备与管道的结垢与堵塞，会使系统阻力增加，脱硫效率下降，甚至还会影响脱硫产物中脱硫剂的含量及系统的氧化效果，当垢层达到一定厚度后，可能会脱落而砸伤喷嘴和防腐内衬。另外，结垢严重时甚至会使设备堵塞以及系统停运［2］。因此，结垢问题已成为脱硫装置能否正常长期运行的关键问题之一。

本研究通过将一种代号为NL－3的脱硫阻垢剂［3］加入湿法脱硫系统中，研究浆液循环泵入口、石膏排出泵出口、以及浆液漩流器等部位结垢的变化情况以及阻垢剂加入脱硫系统后对于运行参数及经济性的影响。

1 系统概况与试验方法

1.1 系统概况

本研究在阜新某发电公司进行。该发电公司三期工程2×350MW机组(3、4号)烟气脱硫工程项目，采用石灰石－石膏湿法工艺，一炉一塔设置。每套脱硫装置的烟气处理能力为1台炉100%BMCR工况时的烟气量。石灰石浆液的制备和石膏脱水及废水处理系统为2炉公用［4］。本研究选取4号脱硫吸收塔作为阻垢剂添加的脱硫系统。

1.2 脱硫装置设计参数

4号机组脱硫装置设计参数详见表1。

表1 脱硫装置设计参数

1.3 吸收剂与产物设计参数

吸收剂与产物设计参数见表2。

表2 吸收剂与产物设计参数

1.4 试验方法

选用一种代号为NL－3的脱硫阻垢剂作为本试验的添加药品，通过在脱硫系统容易结垢的部位，如浆液循环泵入口滤网处、石膏排出泵出口、以及浆液漩流器等处悬挂试片，经过一段时间后，测定试片上的结垢量，对比向脱硫系统中添加阻垢剂NL－3前后试片上垢量的变化情况，来分析脱硫阻垢剂的阻垢效果［5－6］。同时对比添加阻垢剂前后脱硫系统相关参数的变化情况，研究添加阻垢剂NL－3后对整个脱硫系统其他方面的影响。

试验挂片统一定制的规格为40mm×25mm× 3mm的304不锈钢片，试验前须先对其进行抛光、除油处理，称重后用白钢丝分别挂在浆液循环泵入口滤网处、石膏排出泵出口法栏连接处和浆液漩流器处，每处三个平行挂片。在加药前挂一组，30d后取出挂片，烘干恒重。加入阻垢剂后，再挂另一组，30d后取出，同样烘干恒重。

在进行试验前，对脱硫现场的脱硫阻垢剂的添加位置进行考察，主要有以下两处加药点:一是吸收塔排水区地坑;二是石膏溢流浆液箱。通过了解现场实际情况以及对脱硫系统的研究可知，通过石膏溢流浆液箱的方式受吸收塔排石膏的时间限制，不能够保证加药的顺利进行。而吸收塔地坑，无论从可操作性还是从方便程度上来讲，都是最佳的投药点，因此，选择吸收塔的地坑进行加药。

阻垢剂的首次添加浓度按照0.2%(阻垢剂NL－3/石灰石粉)投入，由于阻垢剂在系统中只起催化作用而不参与反应。但是在运行一段时间后，部分脱硫阻垢剂会随脱硫废水排出时有所消耗以及随脱硫烟气带水等因素被带走，因此后续需要按石膏及废水外排的携带量进行补充添加［7］。试验前对CEMS和在线仪表等重要热控仪表进行标定和校准，试验期间读取SO2入口、出口浓度等相关在线数据。同时，每天取石灰石、石膏和吸收塔浆液等样品进行分析。试验过程对于工况无特殊要求，研究的是在电厂正常生产运行中系统的结垢和阻垢情况。

2 结果与讨论

2.1 脱硫系统添加NL－3阻垢剂对结垢量的影响

一种物质在浆液中是溶解还是沉淀，取决于溶液中该种物质的离子组分及离子组分浓度。对于石膏来说，其沉淀结晶的速率的计算公式为:

式中:Rg为石膏沉淀速率;k为速度常数;a为单位质量石膏的活性表面积;C为石膏浆液的浓度;V为反应槽的体积;RSG为石膏相对饱和度。

从上述公式中可以看出，石膏结晶的速率与石膏浆液的浓度成正比［8］，在相同的悬挂时间下，沉淀速率快的部位挂片上的结晶量应该比沉淀速率慢的部位挂片上的结晶量多［9－11］。添加脱硫阻垢剂NL－3前后试验挂片上的结垢情况见图1。从图1中可以看出，挂片在不同部位的结垢量不同，在石膏排出泵出口处的挂片上的垢量最大，在浆液漩流器处的挂片上的垢量最小，在浆液循环泵入口滤网处的挂片的垢量居中。挂片上结垢量的差异，主要是受流经这些部位的石膏浆液的浓度的影响。流经石膏排出泵处的石膏浆液密度略高于浆液循环泵和漩流器处石膏浆液的密度，所以石膏排出泵处挂片上的结垢量大于浆液循环泵滤网处和漩流器处挂片上的结垢量。

图1 添加NL－3前后不同部位挂片上垢量对比

从图1中还可以看出，当加入脱硫阻垢剂NL－3后，在相似的运行模式下，各部位试验挂片上虽然也有垢形成，但结垢量都有明显的下降。这主要是因为一方面，添加脱硫阻垢剂NL－3后，使浆液的pH值得到缓冲，避免了亚硫酸钙或硫酸钙的迅速过饱和，从而起到抑垢的作用;另一方面，阻垢剂NL－3中所含的基团能很好的与浆液中的金属离子Ca2+生成稳定的水溶性络合物，使Ca2+的浓度降得很低，从而最终减少硫酸钙的结晶量。添加脱硫阻垢剂NL－3前后在吸收塔入口滤网处、吸收塔人孔门处结垢情况明显减轻。

计算添加脱硫阻垢剂NL－3后不同挂片部位的阻垢率，计算公式为:

式中:η为阻垢率;m前为添加脱硫阻垢剂NL－3前挂片上结垢的重量，g;m后为添加脱硫阻垢剂NL－3后挂片上结垢的重量，g。

脱硫阻垢剂对不同悬挂部位的挂片的阻垢效果略有不同，悬挂在石膏排出泵的挂片的阻垢率较高，而悬挂在浆液循环泵入口滤网处和漩流器处的挂片上的阻垢率偏低。不同试验位置挂片上的脱除率不同，但都能达到87%以上。脱除率不同的原因主要是受到添加阻垢剂前挂片上的结垢量差别的影响。由于石膏排出泵处的挂片在添加脱硫阻垢剂前的结垢量高于浆液循环泵滤网处和漩流器处的挂片的结垢量，在添加了脱硫阻垢剂NL－3后，各部位挂片上的结垢量基本相同，因此，石膏排出泵处的阻垢效率较高。

2.2 脱硫系统添加NL－3后对脱硫效率的影响

在3台浆液循环泵同时运行的条件下，脱硫效率在添加阻垢剂NL－3前后的变化曲线见图2。脱硫效率按下式计算:

式中:η为脱硫效率;CSO2原为原烟气中SO2浓度(标干态，6%O2)，mg/m3;CSO2净为净烟气中SO2浓度(标干态，6%O2)，mg/m3。

从图2可以看出，原烟气中SO2的浓度的波动对脱硫效率有影响，随SO2浓度的增加，脱硫效率降低。当加入NL－3后，不同原烟气SO2浓度下的系统脱硫效率照比不添加NL－3均有不同程度的提升。并且随着原烟气SO2浓度的增加，脱硫效率下降幅度也有所减缓。这是因为脱硫阻垢剂中的成分可以强化H+由气相向固相的传递，同时促进SO2和CaCO3的溶解，加速SO2的化学吸收，因此提高了脱硫效率，并且减缓了脱硫效率的下降速度［12］。

图2 添加NL－3前后不同原烟气SO2浓度下的脱硫效率

2.3 脱硫系统添加NL－3后对浆液pH值的影响

为了保证石灰石的快速溶解和SO2的有效吸收，脱硫浆液的pH值取值范围最好控制在5～6之间。当pH值低于5时，不仅SO2的吸收会受到抑制，而且会加剧脱硫系统的腐蚀;当pH值高于6时，不仅不利于石灰石的溶解，而且脱硫系统容易结垢［13－14］。目前，国内电厂普遍存在买不到设计或校核煤种的煤。在这种情况下，进入吸收塔的烟气含硫量可能会超过吸收塔的处理能力，一方面造成吸收塔内浆液浓度增高，大于石膏的过饱和度，形成石膏垢;另一方面，pH值无法控制只能不断加石灰石浆液，如果氧化风机的氧化能力不够，会造成浆液中亚硫酸钙浓度偏高。由于亚硫酸钙比较黏，容易包裹在石灰石颗粒的表面形成浆液闭塞，还容易包裹在石膏颗粒表面，最后亚硫酸钙和硫酸钙一起同时析出，形成这两种物质的混合结晶，即CSS垢。

图3是在石灰石新鲜浆液的供浆量保持不变，同时原烟气SO2浓度保持稳定的条件下，添加脱硫阻垢剂NL－3前后，吸收塔浆液的pH值随时间而变化的情况。

图3 添加脱硫阻垢剂NL－3前后浆液pH随时间变化的曲线

从图3可以看出，机组负荷升高和原烟气SO2浓度在短时间内下降很快，当不添加NL－3时，浆液pH值下降的速度较快;而添加NL－3之后，浆液pH值下降的速度减慢。由此可见，添加脱硫阻垢剂NL－3后，在相同的运行条件下，浆液pH的的下降速度和幅度都减缓了许多。这说明，脱硫阻垢剂NL－3的添加可以缓冲浆液pH值的波动，一方面加快了传质反应的速率，有利于提高脱硫效率，另一方面，稳定的pH在防止脱硫系统结垢的同时，可以保证脱硫效率不会发生大幅波动，避免短时间的超标现象的发生，对提高脱硫系统的操作灵活性和运行稳定性也相当有利，有很好的应用价值。

2.4 脱硫系统添加NL－3后对石膏品质的影响

表3是在添加脱硫阻垢剂NL－3前后，从石膏脱水皮带上所取的石膏样品分析结果。

表3 添加NL－3前后脱硫石膏成分分析结果

从表3可以看出，石膏中水分的含量基本不变; CaCO3的含量降低，同时CaSO4·2H2O的含量比添加前提高8.47%，这是因为，脱硫添加剂NL－3中的成分，促进了CaCO3的溶解，同时强化了H+由气相向固相的传递，加速了SO2的化学吸收，减少了因未反应完全而随石膏排出的CaCO3的量，因此提高了脱硫剂CaCO3的利用率，同时提高了石膏的纯度。石膏中CaSO3·1/2H2O的含量稍有增加，这是由于添加剂促进CaCO3的溶解［15］，加速了SO2的吸收反应，而氧化风量供给未增加，导致浆液中部分CaSO3未及时氧化造成的，但CaSO3·1/2H2O的增加量不大，仍小于设备的保证值，对整个脱硫系统基本不会产生影响。

3 结语

(1)脱硫阻垢剂NL－3对于脱硫系统内不同部位的石膏垢都有很好的阻垢效果，并且阻垢率都能达到87%以上。

(2)添加脱硫阻垢剂NL－3不仅可以防止脱硫系统结垢，优化脱硫系统运行环境，还可以起到缓冲脱硫浆液pH、提高脱硫效率、提高石灰石利用率、改善脱硫石膏品质等作用，同时具有显著的环境效益和经济效益。

(3)此脱硫阻垢剂的初次添加量较大，成本较高，同时，添加阻垢剂防止系统结垢是一个长期持续的过程。因此，建议电厂长期添加，至少应持续半年至一年以获得明显的效果。

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Application study on a kind of desulfurization scale inhibitor in WFGD system

A kind of desulfurization scale inhibitior was applied in limestone－gypsum wet flue gas desulphurization system of 350MW unit to study the situation of scale in different parts of system.The results demonstrated that the scale inhibitor perform an excellent inhabiting effect on removing gypsum scale with the rate over 87%.Besides，the whole running system has been optimized including desulphurization efficient，utility ratio of limestone and gypsum quality have been all enhanced.

desulfurization scale inhibitor;WFGD system;application study

X701.3

B

1674－8069(2016)03－034－04

2015-10-21;

2015-12-19

杜佳(1981-)，女，辽宁沈阳人，高级工程师，主要从事电力环境保护工作。E－mail:jiadu@chder.com